氨基酸类生物高分子作为制备高氮掺杂多孔碳材料的前驱体，一直以来备受学术界关注。各类氨基酸分子在受热后可通过毛细管作用力进入二氧化硅模板（SBA-15）的介孔通道，然后再经过模板碳化过程，合成一系列的高氮掺杂介孔碳材料。然而，此方法的碳材料的产率严重依赖于氨基酸的种类：结构单元中包含类苯环官能团的氨基酸（如His, Tyr, Trp, and Phe）的碳材料产率（通常接近于25%）要远高于仅含有端氨基的饱和烃链类氨基酸。后者以赖氨酸为例，其在上述碳化方法中得到的碳材料的产率通常低于5％。
图1 “共生模板碳化”策略在制备高氮掺杂多孔碳片（NPCF）纳米材料中的应用
在最近的“赖氨酸可控碳化”研究进展中，新加坡国立大学He Chaobin教授团队探索了“共生模板碳化”策略在制备高氮掺杂多孔碳片（NPCF）纳米材料中的应用。该方法首先通过水溶液热聚合的方式合成了具有二维片状构象的“支化聚赖氨酸”（BPL）。然后通过BPL分子链间的氢键作用力催化TEOS形成硅酸单元，同时通过静电相互作用力诱导硅酸单元参与到BPL的自组装行为当中（此阶段BPL作为硅酸单元的正向自组装模板）。最后，通过离心提纯得到了相互紧密连接的BPL@silica杂化物，并将其作为稳定的碳化前驱体进行了下一步的高温碳化反应，从而制备了高氮掺杂多孔碳片（NPCF）。在上述碳化过程中，与BPL共生的多孔silica作为反向碳化模板，保证了NPCF的高氮掺杂含量（9.6 at%）和高碳材料产率（20.1%）（图1）。
图2 NPCF的结构表征
通过调控碳化反应温度和后处理的“退火”温度，他们制备了NPCF-600, NPCF-700, NPCF-800, NPCF-900和NPCF-700/900。所制备的NPCF样品的BET比表面积为879-1653 m2/g，孔尺寸分布为0.5-12 nm（图2）。他们还进一步研究了NPCF对于氧化还原反应的催化性能（图3）。在循环伏安曲线中，NPCF-700/900的氧还原峰位电势为0.809 V。在旋转圆盘电极线性扫描伏安曲线中，NPCF-700/900的最大峰强和半峰宽电势分别为0.93和0.83 V，对应的动态极限和扩散极限电流密度分别为18.4和-4.89 mA cm-2，对应每个氧气分子所转移的平均电子数为3.95。NPCF-700/900对于氧化还原反应优异的催化性能来源于其碳骨架中丰富的掺杂氮原子和高比表面积与石墨化程度。
图3 NPCF的电催化性能表征
新加坡国立大学的闵嘉康博士(兼第一作者)与He Chaobin教授以及华中科技大学的龚江研究员为该论文的共同通讯作者。
论文信息：Jiakang Min*, Xiaodong Xu, J. Justin Koh, Jiang Gong*, Xuecheng Chen, Jalal Azadmanjiri, Feifei Zhang, Xin Wen and Chaobin He*. Branched poly-L-lysine derived nitrogen-containing porous carbon fake as the metal-free electrocatalyst towards efficient oxygen reduction reaction. ACS Applied Energy Materials (2021) ASAP, doi.org/10.1021/acsaem.0c03070.
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.0c03070
